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Tomcat 对 HTTP 协议的实现（下）

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在《Tomcat 对 HTTP 协议的实现（上）》一文中，对请求的解析进行了分析，接下来对 Tomcat 生成响应的设计和实现继续分析。本文首发于（微信公众号： 顿悟源码 ）

一般 Servlet 生成响应的代码是这样的： 

protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)

      throws ServletException, IOException {

  resp.setContentType("text/html");

  resp.setCharacterEncoding("utf-8");

  PrintWriter writer = resp.getWriter();

  writer.println("<html><head><title>Demo</title></head>");

  writer.println("<body><div>Hello World!</div></body>");

  writer.println("</html>");

  writer.flush();

  writer.close();

}

像生成响应头和响应体并写入缓冲区，最后写入通道，这些都由 Tomcat 来做，来看下它是怎么设计的（可右键直接打开图片查看大图）：

上图大部分类都是相对的，可与请求处理分析中的描述对比理解。重点还是理解 ByteChunk，它内部有一个 byte[] 数组引用，用于输入时，引用的 InternalNioInputBuffer 内的数组，表示一个字节序列的视图；用于输出时，会 new 一个可扩容的数组对象，存储响应体数据。

以上面的代码为例，分析一下，相关类的方法调用，上面的代码生成的是一种动态内容，会使用 chunked 传输编码：

1. 存储响应体数据

调用图中，ByteChunk 调用 append 方法后，为了直观理解，就直接写入了发送缓冲区，真实情况不是这样，只有内部缓冲区满了，或者主动调用 flush、close 才会实际写入和发送，来看下 append 方法的代码： 

public void append( byte src[], int off, int len )

        throws IOException {

  makeSpace( len ); // 扩容，高版本已去掉

  // 写入长度超过最大容量，直接往底层数组写

  // 如果底层数组也超了，会直接往通道写

  if ( optimizedWrite && len == limit && end == start

        && out != null ) {

      out.realWriteBytes( src, off, len );

      return;

  }

  // 如果 len 小于剩余空间，直接写入

  if( len <= limit - end ) {

    System.arraycopy( src, off, buff, end, len );

    end+=len;

    return;

  }

  // 否则就循环把长 len 的数据写入下层的缓冲区

  int avail=limit-end;

  System.arraycopy(src, off, buff, end, avail);

  end += avail;

  // 把现有数据写入下层缓冲区

  flushBuffer();

  // 循环写入 len 长的数据

  int remain = len - avail;

  while (remain > (limit - end)) {

    out.realWriteBytes( src, (off + len) - remain, limit - end );

    remain = remain - (limit - end);

  }

  System.arraycopy(src, (off + len) - remain, buff, end, remain);

  end += remain;

}

逻辑就是，首先写入自己的缓冲区，满了或不足使用 realWriteBytes 再写入下层的缓冲区中，下层的缓冲区实际就是 NioChannel 中的 WriteBuffer，写入之前首先会把响应头写入 InternalNioInputBuffer 内部的 HeaderBuffer，再提交到 WriteBuffer 中，接着就会调用响应的编码处理器写入响应体，编码处理通常有两种：identity 和 chunked。

2. identity 写入

当明确知道要响应资源的大小，比如一个css文件，并且调用了 resp.setContentLength(1) 方法时，就会使用 identity 写入指定长度的内容，核心代码就是 IdentityOutputFilter 的 doWrite 方法，这里不在贴出，唯一值得注意的是，它内部的 buffer 引用是 InternalNioInputBuffer 内部的 SocketOutputBuffer。

3. chunked 写入

当不确定长度时，会使用 chunked 传输编码，跟解析相反，就是要生成请求分析一文中介绍的 chunked 协议传输格式，写入逻辑如下： 

public int doWrite(ByteChunk chunk, Response res)

  throws IOException {

  int result = chunk.getLength();

  if (result <= 0) {

      return 0;

  }

  // 生成 chunk-header

  // 从7开始，是因为chunkLength后面两位已经是\r\n了

  int pos = 7;

  // 比如 489 -> 1e9 -> ['1','e','9'] -> [0x31,0x65,0x39]

  // 生成 chunk-size 编码，将 int 转为16进制字符串的形式

  int current = result;

  while (current > 0) {

    int digit = current % 16;

    current = current / 16;

    chunkLength[pos--] = HexUtils.HEX[digit];

  }

  chunkHeader.setBytes(chunkLength, pos + 1, 9 - pos);

  // 写入 chunk-szie 包含 \r\n

  buffer.doWrite(chunkHeader, res);

  // 写入实际数据 chunk-data

  buffer.doWrite(chunk, res);

  chunkHeader.setBytes(chunkLength, 8, 2);

  // 写入 \r\n

  buffer.doWrite(chunkHeader, res);

  return result;

}

所有数据块写入完成后，最后再写入一个大小为0的 chunk，格式为 0\r\n\r\n。至此整个写入完毕。

4. 阻塞写入通道

上层所有数据的实际写入，最后都是由 InternalNioInputBuffer 的 writeToSocket 方法完成，代码如下： 

private synchronized int writeToSocket(ByteBuffer bytebuffer,

             boolean block, boolean flip) throws IOException {

  // 切换为读模式

  if ( flip ) bytebuffer.flip();

  int written = 0;// 写入的字节数

  NioEndpoint.KeyAttachment att = (NioEndpoint.KeyAttachment)

                                  socket.getAttachment(false);

  if ( att == null ) throw new IOException("Key must be cancelled");

  long writeTimeout = att.getTimeout();

  Selector selector = null;

  try { // 获取模拟阻塞使用的 Selector

    // 通常是单例的 NioBlockingSelector

    selector = getSelectorPool().get();

  } catch ( IOException ignore ) { }

  try {

    // 阻塞写入

    written = getSelectorPool().write(bytebuffer, socket, selector,

                                  writeTimeout, block,lastWrite);

    do {

      if (socket.flush(true,selector,writeTimeout,lastWrite)) break;

    }while ( true );

  }finally {

    if ( selector != null ) getSelectorPool().put(selector);

  }

  if ( block ) bytebuffer.clear(); //only clear

  this.total = 0;

  return written;

}

模拟阻塞的具体实现，已在 Tomcat 对 NIO 模型实现一文中介绍，这里不再赘述。

5. 缓冲区设计

缓冲区直接关系到内存使用的大小，还影响着垃圾收集。在整个HTTP处理过程中，总共有以下几种缓冲区：

  • NioChannel 中的读写 ByteBuffer
  • NioInputBuffer 和 NioOutputBuffer 内部使用的消息头字节数组
  • ByteChunk 用于写入响应体时内部使用的字节数组
  • 解析请求参数时，如果长度过小会使用内部缓存的一个 byte[] 数组，否则新建

以上缓冲区均可重复利用。

6. 小结

为了更好的理解HTTP的解析，尽可能的使用简洁的代码仿写了这部分功能。

源码地址 ：https://github.com/tonwu/rxtomcat 位于 rxtomcat-http 模块

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